JP2015079649A - 電池状態監視システム - Google Patents
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Abstract
【課題】部品点数及びコストの増大を抑制できるとともに、ノイズ耐性の高い電池状態監視システムを提供する。【解決手段】複数の電池セルから構成される組電池の状態を監視する監視IC21a〜dをそれぞれ搭載した複数の監視基板20a〜dと、監視IC21a〜dにより監視された各組電池の状態を受信して各組電池に対する制御指令を監視IC21aへ送信する制御マイコン11、を搭載した制御基板10と、複数の監視IC21a〜d及び制御マイコン11のうち互いに異なる2つの回路に接続され、それら2つの回路の間でシリアル信号を伝達するフォトカプラ31,32,33a〜cと、を備える。フォトカプラ31,32,33a〜cは、互いに異なる2つの回路を搭載した基板のうち、受信側となる回路を搭載した基板に設置されている。【選択図】 図1
Description
本発明は、複数の電池セルから構成される組電池の状態を監視する電池状態監視システムに関する。
近年、複数の電池セルを直列接続して組電池を構成した高電圧のバッテリが提案されている。このような高電圧バッテリでは、充放電を繰り返すうちに、各電池セルの劣化度合いにばらつきが生じる。そこで、組電池を構成する複数の電池セルの状態をそれぞれ監視して、各電池セルを保護している。
例えば、特許文献1では、複数の電池セルを直列接続した組電池を複数構成し、組電池ごとに、対応する組電池の各電池セルのセル電圧及びセル電流を検出する監視ユニットを備えている。さらに、監視ユニットで取得された電池状態の情報に基づいて、電池セルそれぞれが異常か否か判定する電池ECUを備えている。
特許文献1では、監視ユニットと電池ECUとは、CAN通信を介して接続されている。CAN通信は、ノイズ耐性が高いが、CANの通信コントローラを内蔵したCANマイコンやトランシーバIC等の高価な部品が必要となる。そのため、監視ユニットと電池ECUとをCAN通信で接続すると、部品点数が多くなるとともに、コストが増加するという問題がある。
本発明は、上記実情に鑑み、部品点数及びコストの増大を抑制できるとともに、ノイズ耐性の高い電池状態監視システムを提供することを主たる目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は電池状態監視システムであって、複数の電池セルから構成される組電池の状態を監視する監視回路をそれぞれ搭載した複数の監視基板と、前記監視回路により監視された各組電池の状態を受信して各組電池に対する制御指令を前記監視回路へ送信する制御回路、を搭載した制御基板と、複数の前記監視回路及び前記制御回路のうち互いに異なる2つの回路に接続され、それら2つの回路の間でシリアル信号を伝達する絶縁素子であって、出力側に比べて入力側に電流を多く流す絶縁素子と、を備え、前記絶縁素子は、前記互いに異なる2つの回路を搭載した基板のうち、受信側となる回路を搭載した基板に設置されている。
本発明によれば、複数の監視回路及び制御回路のうち、互いに異なる2つの回路間で、絶縁素子によりシリアル通信が行われる。絶縁素子を用いた通信では、他の部品を用いることなく、入力された信号を出力側に伝達することができる。よって、異なる2つの回路間で、絶縁素子を用いてシリアル通信を行うことにより、部品点数、基板面積及びコストの増大を抑制できる。
また、受信側となる回路を搭載した基板に出力側に比べて入力側に電流を多く流す絶縁素子を設置することにより、大きな電流が流れる入力側、すなわち送信側の配線が2つの基板を跨いで長くなるとともに、小さな電流が流れる出力側、すなわち受信側の配線は短くなる。一般に、ノイズは、配線が長いほど混入しやすいとともに、基板間で混入しやすい。そのため、大きな電流が流れる入力側の配線を長くして異なる基板を跨がせることにより、ノイズに対する耐性を高くできる。このため、入力側の基板で発生したノイズが、出力側の基板へ伝達されることを抑制できる。したがって、部品点数、基板面積及びコストの増大を抑制できるとともに、ノイズ耐性を高くできる。
さらに、絶縁素子を用いることで、接続した2つの回路の基準電位が異なっていても、回路間でシリアル通信を行うことができる。
また、絶縁素子にフォトカプラを適用すると、2つの基板を跨ぐ電源用の配線を削減できる。フォトカプラの受信側は電源が必要であるのに対して、送信側は電源が不要である。そのため、受信側となる回路が搭載された基板にフォトカプラを設置することにより、送信側となる回路が搭載された基板にフォトカプラを設置する場合と比較して、2つの基板を跨ぐ電源用の配線を削減できる。
以下、電池状態監視システムを具現化した各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
(第1実施形態)
まず、図1を参照して、第1実施形態に係る電池状態監視システムの構成について説明する。本実施形態に係る電池状態監視システムは、制御基板10、及び監視基板20a〜d、フォトカプラ31,32,33a〜c(絶縁素子)を備え、バッテリ50の状態を監視するシステムである。なお、矢印は配線を示しており、破線の矢印はフォトカプラ31,32,33a〜cへの電源用の配線を示している。
まず、図1を参照して、第1実施形態に係る電池状態監視システムの構成について説明する。本実施形態に係る電池状態監視システムは、制御基板10、及び監視基板20a〜d、フォトカプラ31,32,33a〜c(絶縁素子)を備え、バッテリ50の状態を監視するシステムである。なお、矢印は配線を示しており、破線の矢印はフォトカプラ31,32,33a〜cへの電源用の配線を示している。
バッテリ50は、複数の組電池が互いに直列接続されて構成された高圧バッテリである。各組電池は、互いに直列接続された複数の電池セルから構成されている。バッテリ50として、例えば、リチウムイオン電池が採用される。
監視基板20a〜dには、監視IC21a〜d(監視回路)、均等化回路22a〜dが搭載されている。監視基板20a〜dは、バッテリ50から電源の供給を受けて高電圧部になっている。
監視IC21a〜dは、図示しないマルチプレクサ回路及びフライングキャパシタ回路を備え、各組電池に含まれる複数の電池セルの状態、詳しくは電池セルのセル電圧を監視する。マルチプレクサ回路は、各組電池に含まれる複数の電池セルのそれぞれの正極側に接続される正極側スイッチと、電池セルのそれぞれの負極側に接続される負極側スイッチとを備え、各組電池に含まれるいずれかの電池セルとフライングキャパシタ回路とを接続する。フライングキャパシタ回路は、マルチプレクサ回路により選択された電池セルのセル電圧を検出する。マルチプレクサ回路の正極側スイッチ及び負極側スイッチを順次操作することにより、各組電池に含まれる複数の電池セルのセル電圧が順次検出される。
均等化回路22a〜dは、各組電池に含まれる複数の電池セルのそれぞれの正電極端子と負電極端子とを、短絡させる放電スイッチから構成される。放電スイッチは、制御基板10に搭載された制御マイコン11からの電池セル放電指令に基づいて、それぞれ独立して開閉動作が行われる。放電スイッチが閉状態になると、その放電スイッチに両端が接続された電池セルが放電され、その電池セルのセル電圧が低下する。これにより、各電池セルのセル電圧が均等化される。
制御基板10には、制御マイコン11が搭載されている。制御マイコン11は、メモリに記憶されたプログラムに従って所定の機能を実行する制御回路である。制御基板10は、図示しない低電圧系の電源と接続されており、低電圧部になっている。制御マイコン11は、監視IC21a〜dにより監視された各組電池の状態を受信するともに、各組電池に対する制御指令を監視IC21aへ送信する。詳しくは、制御マイコン11は、監視IC21a〜dにより検出される各電池セルのセル電圧を送信する指令を、監視IC21aへ送信する。さらに、制御マイコン11は、受信した各電池セルのセル電圧に基づいて、放電が必要な電池セルの有無を判定する。そして、制御マイコン11は、放電が必要な電池セルがあると判定した場合、電池セル放電指令を監視IC21aへ送信する。電池セル放電指令には、放電対象の電池セルを示す電池セル指定情報が含まれる。なお、制御マイコン11と監視IC21a〜dとの間における、情報の送受信については後で詳しく述べる。
フォトカプラ31,32,33a〜cは、4つの監視IC21a〜d及び制御マイコン11のうち、互いに異なる2つの回路に接続され、それら2つの回路の基準電位に関わらず、それら2つの回路間でシリアル信号を伝達する。また、フォトカプラ31,32,33a〜cは、送信側の回路と受信側の回路とで絶縁された通信を実現する。
フォトカプラ31(第1絶縁素子)は、監視基板20a(第1監視基板)に設置されており、監視IC21aと制御マイコン11とを接続する。詳しくは、フォトカプラ31の発光側すなわち入力側が制御マイコン11に接続され、フォトカプラ31の受光側すなわち出力側が監視IC21aに接続されている。制御マイコン11は、フォトカプラ31を介して、監視IC21aへシリアル信号を送信する。
フォトカプラ32(第2絶縁素子)は、制御基板10に設置されており、監視基板20d(第2監視基板)に搭載された監視IC21dと制御マイコン11とを接続する。詳しくは、フォトカプラ31の発光側が監視IC21dに接続され、フォトカプラ31の受光側が制御マイコン11に接続されている。監視IC21dは、フォトカプラ32を介して、制御マイコン11へシリアル信号を送信する。
よって、低電圧部の制御マイコン11と高電圧部の監視IC21a,21dとの間において、フォトカプラ31,32を介してシリアル通信が行われるため、低電圧部と高電圧部とが絶縁される。
また、フォトカプラ33a〜c(第3絶縁素子)は、それぞれ隣接する2つの監視基板に搭載された監視ICを接続する。具体的には、フォトカプラ33aは、監視基板20bに設置されており、隣接する監視基板20a及び20bに搭載された監視IC21aと21bとを接続する。詳しくは、フォトカプラ33aの発光側が監視IC21aに接続され、フォトカプラ33aの受光側が監視IC21bに接続されている。監視IC21aは、フォトカプラ33aを介して、監視IC21bへシリアル信号を送信する。
フォトカプラ33bは、監視基板20cに設置されており、隣接する監視基板20b及び20cに搭載された監視IC21bと21cとを接続する。詳しくは、フォトカプラ33bの発光側が監視IC21bに接続され、フォトカプラ33bの受光側が監視IC21cに接続されている。監視IC21bは、フォトカプラ33bを介して、監視IC21cへシリアル信号を送信する。
フォトカプラ33cは、監視基板20dに設置されており、隣接する監視基板20c及び20dに搭載された監視IC21cと21dとを接続する。詳しくは、フォトカプラ33cの発光側が監視IC21cに接続され、フォトカプラ33cの受光側が監視IC21dに接続されている。監視IC21cは、フォトカプラ33cを介して、監視IC21dへシリアル信号を送信する。
よって、本実施形態では、監視基板20a〜dに搭載された監視IC21a〜dと制御基板10に搭載された制御マイコン11とで、リング型の通信経路が形成されている。
フォトカプラ31,32,33a〜cは、それぞれが接続する互いに異なる2つの回路を搭載した基板のうち、受信側となる回路を搭載した基板に設置されている。そのため、大きな電流が流れる送信側の配線が2つの基板を跨いで長くなり、小さな電流が流れる受信側の配線が短くなる。そのため、ノイズに対する耐性が向上する。
また、フォトカプラ31,32,33a〜cは、入力側の発光ダイオードには電源が必要ないのに対して、出力側のフォトトランジスタには電源が必要である。フォトカプラ31,32,33a〜cを受信側の回路を搭載した基板に設置することにより、フォトカプラ31,32,33a〜cの電源用配線が、2つの基板を跨がない。
制御マイコン11が、監視IC21aへフォトカプラ31を介して電圧送信指令を送信すると、監視IC21aから監視IC21dまで、順次電圧送信指令が送信される。詳しくは、監視IC21aから監視IC21dまで、順次隣接する監視基板20b〜dに設置されたフォトカプラ33a〜cを介して、隣接する監視基板20b〜dに搭載された監視ICへ電圧送信指令が送信される。
監視IC21a〜dは、電圧送信指令を受信すると、それぞれが監視している組電池に含まれる複数の電池セルのセル電圧情報を、制御マイコン11へ向けて送信する。監視IC21aは、監視IC21b〜d及びフォトカプラ33a〜c,32を介して、制御マイコン11へセル電圧情報を送信する。監視IC21bは、監視IC21c〜d及びフォトカプラ33b〜c,32を介して、制御マイコン11へセル電圧情報を送信する。監視IC21cは、監視IC21d及びフォトカプラ33c,32を介して、制御マイコン11へセル電圧情報を送信する。監視IC21dは、フォトカプラ32を介して、制御マイコン11へセル電圧情報を送信する。
また、制御マイコン11が電池セル放電指令を送信すると、電池セル放電指令に含まれる電池セル指定情報に基づいて、制御マイコン11から放電対象の電池セルを監視する監視ICまで、電池セル放電指令が伝達される。
以上説明した第1実施形態によれば、以下の効果を奏する。
・互いに異なる2つの回路間で、フォトカプラを用いてシリアル通信を行うことにより、部品点数、基板面積及びコストの増大を抑制できる。また、大きな電流が流れるフォトカプラの入力側の配線を長くして異なる基板を跨がせることにより、ノイズに対する耐性を高くできる。このため、入力側の基板で発生したノイズが、出力側の基板へ伝達されることを抑制できる。したがって、部品点数、基板面積及びコストの増大を抑制できるとともに、ノイズ耐性を高くできる。
・受信側となる回路が搭載された基板にフォトカプラを設置することにより、送信側となる回路が搭載された基板にフォトカプラを設置する場合と比較して、2つの基板を跨ぐ電源用の配線を削減できる。
・フォトカプラを用いることで、接続した2つの回路の基準電位が異なっていても、回路間でシリアル通信を行うことができる。
・フォトカプラ31,32を用いて、制御基板10に搭載された制御マイコン11と監視基板20a,dに搭載された監視IC21a,dとの間で、シリアル信号の送受信を行うことにより、少ない部品点数且つ低コストで、低電圧部と高電圧部間の絶縁された通信を実現できる。
・受信側の配線が短いため、小さな電流が流れる受信側の配線にノイズが混入することを抑制できる。
(第2実施形態)
次に、図2を参照して、第2実施形態に係る電池状態監視システムについて、第1実施形態に係る電池状態監視システムと異なる点について説明する。第2実施形態では、制御マイコン11と監視IC21a〜dとの通信経路が、第1実施形態のリング型通信経路と異なる。
次に、図2を参照して、第2実施形態に係る電池状態監視システムについて、第1実施形態に係る電池状態監視システムと異なる点について説明する。第2実施形態では、制御マイコン11と監視IC21a〜dとの通信経路が、第1実施形態のリング型通信経路と異なる。
フォトカプラ34a〜d(第1絶縁素子)は、監視基板20a〜dに設置されており、制御マイコン11と監視IC21a〜dとをそれぞれ接続する。詳しくは、フォトカプラ34a〜dの発光側が制御マイコン11に接続され、フォトカプラ34a〜dの受光側が監視IC21a〜dに接続されている。制御マイコン11は、フォトカプラ34a〜dを介して、監視IC21a〜dのそれぞれへシリアル信号を送信する。
フォトカプラ35a〜d(第2絶縁素子)は、制御基板10に設置されており、制御マイコン11と監視IC21a〜dとをそれぞれ接続する。詳しくは、フォトカプラ35a〜dの発光側が監視IC21a〜dに接続され、フォトカプラ35a〜dの受光側が制御マイコン11に接続されている。監視IC21a〜dは、それぞれに対応するフォトカプラ35a〜dを介して、制御マイコン11へシリアル信号を送信する。
制御マイコン11から監視IC21a〜dへの送信線は、1本の送信線が途中で枝分かれして各監視IC21a〜dに接続されている。すなわち、制御マイコン11から監視IC21a〜dへの送信経路は、バス型の送信経路になっている。そのため、制御マイコン11から監視IC21a〜dのそれぞれへ、同じタイミングで制御指令が送信される。一方、監視IC21a〜dのそれぞれから制御マイコン11への送信経路は、スター型の送信経路になっている。
第2実施形態においても、フォトカプラ34a〜d,35a〜dは、それぞれが接続する互いに異なる2つの回路を搭載した基板のうち、受信側となる回路を搭載した基板に設置されている。そのため、第2実施形態においても、大きな電流が流れる送信側の配線が2つの基板を跨いで長くなり、小さな電流が流れる受信側の配線が短くなる。また、フォトカプラ34a〜d,35a〜dへの電源用配線が、2つの基板を跨がない。さらに、低電圧部の制御マイコン11と高電圧部の監視IC21a〜dとの間において、フォトカプラ34a〜d,35a〜dを介してシリアル通信が行われるため、低電圧部と高電圧部とが絶縁される。
制御マイコン11が、監視IC21a〜dへフォトカプラ34a〜dを介して電圧送信指令を送信すると、監視IC21a〜dは、同じタイミングで電圧送信指令を受信する。監視IC21a〜dは、電圧送信指令を受信すると、それぞれが監視している組電池に含まれる複数の電池セルのセル電圧情報を、フォトカプラ35a〜dを介して、制御マイコン11へ送信する。
また、制御マイコン11は、放電が必要な電池セルがあると判定した場合、放電対象の電池セルを監視する監視ICへ、その監視ICが搭載された基板に設置されたフォトカプラを介して、電池セル放電指令を送信する。
以上説明した第2実施形態によれば、以下の効果を奏する。
・受信側の回路が搭載された基板に設置されたフォトカプラを用いて、制御マイコン11と監視IC21a〜dとの間のシリアル信号の送受信を行うことにより、部品点数、基板面積及びコストの増大を抑制できるとともに、ノイズ耐性を高くできる。また、少ない部品数且つ低コストで、低電圧部と高電圧部間の絶縁された通信を実現できる。
・監視IC21a〜dのそれぞれの基準電位が異なっていても、監視IC21a〜dは、同一タイミングで制御マイコン11から制御指令を受信することができる。そのため、監視IC21a〜d間で、同期を取ることが可能となり、各組電池の制御性を向上させることができる。
(他の実施形態)
本発明は上記各実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。
本発明は上記各実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。
・上記各実施形態では、全てのシリアル通信にフォトカプラを用いているが、必ずしも全てのシリアル通信にフォトカプラを用いなくてもよい。いずれかのシリアル通信にフォトカプラを用いれば、全てのシリアル通信にフォトカプラを用いた場合ほどではないが、部品点数及びコストの増大を抑制できるとともに、ノイズ耐性を高くできる。
・第1実施形態において、制御マイコン11と監視IC21a,d間のシリアル通信にのみフォトカプラを用いて、異なる監視IC間のシリアル通信には、フォトカプラ以外を用いてもよい。このようにしても、部品点数及びコストの増大を抑制して、低電圧部と高電圧部間の絶縁された通信を実現できるとともに、ノイズ耐性を高くできる。なお、異なる監視IC間のシリアル通信には、例えば、カップリングコンデンサを用いることができる。
・絶縁素子は、フォトカプラに限らず、出力側に比べて入力側に電流を多く流す絶縁素子であればよい。例えば、一対の磁気コイルによって信号を伝達するデジタルアイソレータでもよい。
・監視IC21a〜dは、電池セルのセル電圧だけでなく、電池セルを流れる電流や電池セルの温度を監視してもよい。
・監視IC21a〜dは、それぞれ複数の組電池の状態を監視してもよい。
10…制御基板、11…制御マイコン、20a〜d…監視基板、21a〜d…監視IC、31,32,33a〜c,34a〜d,35a〜d…フォトカプラ。
Claims (5)
- 複数の電池セルから構成される組電池(50)の状態を監視する監視回路(21a〜d)をそれぞれ搭載した複数の監視基板(20a〜d)と、
前記監視回路により監視された各組電池の状態を受信して各組電池に対する制御指令を前記監視回路へ送信する制御回路(11)、を搭載した制御基板(10)と、
複数の前記監視回路及び前記制御回路のうち互いに異なる2つの回路に接続され、それら2つの回路の間でシリアル信号を伝達する絶縁素子であって、出力側に比べて入力側に電流を多く流す絶縁素子(31,32,33a〜c,34a〜d,35a〜d)と、を備え、
前記絶縁素子は、前記互いに異なる2つの回路を搭載した基板のうち、受信側となる回路を搭載した基板に設置されていることを特徴とする電池状態監視システム。 - 前記複数の監視基板は、第1監視基板(20a)及び第2監視基板(20d)を含み、
前記絶縁素子は、前記第1監視基板に搭載された監視回路と前記制御基板に搭載された制御回路とを接続する第1絶縁素子(31)と、前記第2監視基板に搭載された監視回路と前記制御基板に搭載された制御回路とを接続する第2絶縁素子(32)とを含み、
前記第1監視基板に搭載された監視回路から前記第2監視基板に搭載された監視回路まで、順次隣接する前記監視基板に搭載された監視回路へシリアル信号が送信され、
前記制御基板に搭載された制御回路は、前記第1監視基板に設置された前記第1絶縁素子を介して、シリアル信号を前記第1監視基板に搭載された監視回路へ送信し、
前記第2監視基板に搭載された監視回路は、前記制御基板に設置された前記第2絶縁素子を介して、シリアル信号を前記制御基板に搭載された制御回路へ送信する請求項1に記載の電池状態監視システム。 - 前記絶縁素子は、隣接する2つの前記監視基板に搭載された監視回路を接続する第3絶縁素子(33a〜c)を含み、
前記第1監視基板に搭載された監視回路から前記第2監視基板に搭載された監視回路まで、順次隣接する前記監視基板に設置された前記第3絶縁素子を介して、シリアル信号を隣接する前記監視基板に搭載された監視回路へ送信する請求項2に記載の電池状態監視システム。 - 前記絶縁素子は、各監視基板に設置されて前記制御基板に搭載された制御回路と各監視基板に搭載された監視回路とをそれぞれ接続する第1絶縁素子(34a〜d)と、前記制御基板に設置されて前記制御基板に搭載された制御回路と各監視基板に搭載された監視回路とをそれぞれ接続する第2絶縁素子(35a〜d)とを含み、
前記制御基板に搭載された制御回路は、前記第1絶縁素子を介して、各監視基板に搭載された監視回路へシリアル信号を送信し、
各監視基板に搭載された監視回路は、各監視回路に対応する前記第2絶縁素子を介して、前記制御基板に搭載された制御回路へシリアル信号を送信する請求項1に記載の電池状態監視システム。 - 前記絶縁素子は、フォトカプラである請求項1〜4のいずれかに記載の電池状態監視システム。
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